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Energyplus的介绍

Energyplus是一个建筑能源模拟程序，可以在Energyplus官方网站中找到其详细介绍，是一个比较权威的建筑性能模拟引擎，属于美国能源部（DOE）下建筑技术办公室（BTO）下的建筑能源建模子项目（BEM），链接：建筑能源建模|能源部 (energy.gov)、BEM简介|能源部 (energy.gov)，在这些资料中，可以了解Energyplus与目前很多其他的建模仿真软件之间的关系（包括Openstudio SDK、Openstudio Appliocation、Spark等等）。

Energyplus配套使用方法

在使用Energyplus时，有几种常见的使用方法：

  1. 直接使用Energyplus进行建模仿真，但存在的最大问题是，系统的指定还可以，但建筑围护结构的指定极其难顶，需要一个个坐标的输入，一般不会有人这样使用。
  2. 直接使用Openstudio或者DesignBuilder进行建模，这些软件基本都是基于Energyplus为基础，开发了一些方便使用的模块以及一些用户界面，使用起来应该很方便，但就是费钱，需要单独购买软件（Openstudio Application也有闭源的部分，但留有SDK供使用，A Shift in BTO’s BEM Strategy: A New Future for the OpenStudio Application – OpenStudio）。
  3. 使用 Openstudio-SketchUp Plug-in 接口 + Energyplus进行建模，也就是利用SketchUp的画图建模软件来拉块，画出建筑的轮廓以及指定建筑的热区，之后导出为idf文件，再在Energyplus中一条条指定系统形式、人员内扰、设备内扰等等，这种方式比较常用。

目前，常用第三种方式，其软件安装流程为：

  1. 下载SketchUp进行安装，需要注意的是电脑用户名尽量不要使用中文（看一下桌面所处的文件路径中是否存在中文），SketchUp是收费软件，自行解决。
  2. 下载Openstudio Application并进行安装，链接：Openstudio Application (github.com)，在这里需要注意Openstudio Application、Energyplus之间的对应关系，链接：版本对应GitHub，此外还有画图插件与他们之间的对应关系，链接：版本对应 (github.com)，这里有一个总的链接：Openstudio SDK 版本兼容性表 (github.com)，这些都是Openstudio更换维护方式之后的链接，如果手头只有较早期的Sketchup，可以查看下面的链接，获取版本对应关系，链接：早期软件储存库)。
  3. 下载对应版本画图插件，Releases · openstudiocoalition/openstudio-sketchup-plugin · GitHub，下载对应版本的rbz。
  4. 下载Energyplus，也是注意版本对应，链接：Energyplus。
  5. 在SketchUp中导入下载的rbz拓展程序，导入方法见：plugin v1.2.0 (github.com)，这个版本中写到了安装步骤。

安装完软件之后，使用大致流程：

  1. 在SketchUp中，绘制房屋模型，分配热区，指定材质，具体使用方法见：SketchUp 插件接口指南 – Openstudio用户文档 (openstudiocoalition.org)，具体操作介绍暂时就不写了，需要注意一点，中途保存时需要注意文件保存方式，SketchUp的文件格式（保存画的图，但其他信息全部丢失）、Openstudio文件（保存画的图与分区信息）、IDF文件（保存分好热区的部分，其他都丢失），完成后导出IDF。
  2. 利用EP-Launch打开IDF文件，利用IDF编辑器进行编辑，在这里面，依此完成（一个典型的建筑负荷计算模型设定流程）：
    • 仿真周期设定、仿真步长设定、地理位置设定
    • 运行时间表设定（供内扰设定以及空调运行方案所用）
    • 材料设定检查，包括常规墙体、屋面、窗等等
    • 人员、设备、照明内扰设定
    • 新风与渗透风设定
    • 空调系统设定
    • 输出变量名单设定
  3. 指定气象文件，进行仿真，解决报错，查看结果。

当结果计算完整之后，可以借助xEsoView软件查看，就是一个查看eso文件的可视化软件，只是看起来快一些，链接：xEsoView (sourceforge.net)

关于使用到的气象文件

Energy plus在进行模拟时所用的气象文件一般在Energyplus官方网站上进行下载，从网站上的介绍可以知道，国内城市气象数据的来源主要有

  • CSWD（Chinese Standard Weather Data）由清华大学建筑科学与技术系和中国气象局开发的，是专为模拟建筑供暖和空调负荷以及能源使用以及计算可再生能源利用率而开发，其中包含有设计数据与典型年数据，使用较多。除此之外，似乎还有一个CTYM数据，中国典型年份数据，不过无法从Energyplus下载。
  • SWERA（Solar and Wind Energy Resource Assessment ），来自于联合国环境规划署资助的太阳能和风能资源评估项目，从SWERA项目网站上可以获取。
  • IWEC（International Weather for Energy Calculations），是ASHRAE研究项目1015的成果，太阳辐射是补充的，是计算得到的？具体是否正确不清楚。

气象文件下载时一般有3个子文件可供选择：

  • epw文件，内部包含有该地区全年的逐时气象数据，下载使用较多。
  • ddy文件，ASHRAE Design Conditions Design Day Data，内部包含有该地区设计日数据，详细信息不知。
  • stat文件，用于介绍气象文件，但并没有找到其打开方法（可以用记事本或者Excel打开，就几个表）。

在这里说一下epw文件里面数据的含义，这个文件可以用Climate Consultant 打开，主要是绘图用的一个小软件，没太大用处。

epw文件可以直接使用Excel打开，将其后缀直接改为 .csv 即可查看

第一行 LOCATION 地理位置，城市名称、所在省市、所在国家、数据源、编号、纬度、经度、时区、海拔
第二行 DESIGN CONDITIONS 设计参数，包括供暖设计参数与制冷设计参数
第三行 TYPICAL/EXTREME PERIODS 典型/极端日期，时间上包含周的、天的，选择上包括最大值、平均值，季节上包括夏季与冬季
第四行 GROUND TEMPERATURES 土壤温度，包括0.5m、2m、4m处全年12个月的月平均温度
第五行 HOLIDAYS/DAYLIGHT SAVINGS 节假日与夏令时
第六行 COMMENTS 1 介绍一些气象文件的来源以及部分参数来源的说明
第七行 COMMENTS 2 同上
第八行 DATA PERIODS 数据的周期，开始时间与结束时间

参数设置

关于参数设置，这里只介绍一些常用的参数设置，当遇到问题时，查阅help文件InputOutputReference.pdf，里面的记录比较详细，遇到机理相关的，再查看工程手册EngineeringReference.pdf，这部分本想介绍一下，但是没啥用，越写越烦，还是自己按照一个示例文件看吧。

SimulationControl

用于指定仿真周期，以及整个仿真中要计算的东西，字面意思。

Building

建筑基本信息，最重要的是方向的确定，这些在Openstudio草图插件中就可以完成指定。

Schedule

时间表的指定方法有几种，可以直接按照几点到几点多少来指定，也可以按照小时-日-周-月-年依次指定，具体可以自己尝试。

Material

用于描述不透明结构元素，需要描述材料的四种主要性质，包括厚度、导电率、密度、比热。

需要注意的是，不要试图构建完全一致的材料，对于一些无关紧要的材质，应该省略，例如导热率极高的材料，或者极薄的材料，这种材料的传热模拟本身就很困难，仿真时极容易出错。

另外，需要注意的是，并不是材料的热阻加起来就是结构的热阻，Energyplus中考虑了对流传热系数，也就是粗糙度（Roughness），也会影响热阻。

ZoneInfiltration：DesignFlowRate

用于描述渗透风，通常是由外门的打开和关闭、窗户周围的裂缝造成的，计算公式中会考虑风速的影响，但是在Energyplus中参数被默认设定为0，也就是任何情况下渗透流量都是恒定的。

其中A、B、C 对应Constant Term Coefficient、Temperature Term Coefficient、Velocity Term Coefficient。

其他的项都是字面意思，不进行解释。

ZoneVentilation：DesignFlowRate

这一项描述机械通风，与上文中渗透风表述一致，计算公式一致。相比而言，就是一个有条件的渗透风，可以在一些情况下关闭通风。都是字面意思。

Output：VariableDictionary

用于输出模型可以输出变量列表（也就是仿真之后会产生rdd文件），包括输出格式的定义与输出文件排序方式的定义：

  • 输出格式有两种，一种是IDF格式，另一种是regular格式，无论选择那种格式对单独Energyplus仿真进程并没有影响，文档介绍中似乎只是输出的影响，一种是像在参数设定与输出介绍文档中列出格式一样，另一种是可以直接复制并粘贴到输入文件夹中，对于联合仿真或者将Energyplus作为仿真块时，或许存在影响，目前尚未尝试。
  • 排序方式也有两种：Name 与 Unsorted，字面意思。

这一项在输出变量时很有意义，需要先指定后运行一次，才可以在 Output：Variable 中继续描述其他变量。

Output：Variable

用于指定输出变量，需要在上一项指定完成后，才会生成下拉菜单，每一个需要指定 Key Value（用于指定特定热区或者环境）、Variable Name（从rdd文件中找到变量名称）、Reporting Frequency（输出频率）

所有的变量解释都可以在help文件InputOutputReference.pdf中找到，在安装目录documentation中可以找到，在这里列出一些常用的输出变量：

Variable Name 含义
Site Direct Solar Radiation Rate per Area 太阳直射辐射，单位为，amount of solar radiation in received within a 5.7◦ field of view centered on the sun
Site Diffuse Solar Radiation Rate per Area 太阳散射辐射，单位，水平表面从天空中接受到的太阳辐射
Site Wind Speed 室外风速，单位
Site Outdoor Air Drybulb Temperature 室外干球温度，单位℃
Site Outdoor Air Wetbulb Temperature 室外湿球温度，单位℃，是利用干球温度、含湿量与大气压力计算得到
Site Outdoor Air Relative Humidity 相对湿度，单位%
Zone Ideal Loads Zone Total Cooling Rate 区域理想冷负荷（全热负荷），单位
Zone Ideal Loads Zone Sensible Cooling Rate 区域理想冷负荷（显热负荷），单位
Zone Ideal Loads Zone Latent Cooling Rate 区域理想冷负荷（潜热负荷），单位
Zone Ideal Loads Supply Air Total Cooling Rate 送风全热负荷，从文档来看，这个才是理想的冷却总负荷（设备送风负荷），单位
Zone Ideal Loads Supply Air Sensible Cooling Rate 送风显热负荷，单位
Zone Ideal Loads Supply Air Latent Cooling Rate 送风潜热负荷，单位
Space or Zone Total Internal Total Heating Rate 可以理解为内扰，包括人员内扰、照明内扰、设备内扰等等，单位
People Occupant Count 区域人员数量（这个可能是依照总数计算？）
Space or Zone People Occupant Count 按照区域计算的人员数量
People Total Heating Rate 人员得热负荷，单位
Space or Zone People Sensible Heating Rate 按区域计算的人员得热负荷，单位
Lights Total Heating Rate 照明得热负荷，单位
Equipment Total Heating Rate 设备得热负荷，单位
Zone Total Internal Total Heating Rate 内扰得热负荷，单位
Infiltration Total Heat Gain Energy 渗透风得热量，单位
Zone Ventilation Total Heat Gain Energy 机械通风得热量，单位